JP2007009094A - フォトニック結晶を用いた発光体 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光により励起され励起光とは異なる波長の光を効率的に発光できる発光体を提供する。
【解決手段】ファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、前記第１の媒質中の孔を満たして充填され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する第２の媒質とを有することを特徴とする発光体。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトニック結晶を用い、励起光により励起され励起光とは異なる波長の光を発光する発光体に関し、特にレーザー装置や増幅装置として利用される発光体に関する。

近年、フォトニック結晶と呼ばれる構造体が注目を集めており、各種機関において研究開発が行われている。フォトニック結晶は、屈折率の異なる媒質が光の波長程度の間隔で周期的に配置されている構造を持ち、その周期構造を制御することにより、ある波長域の光の伝搬が抑制される現象、いわゆるフォットニックバンドギャップが発生する。この現象を利用すれば、光をある領域に閉じ込めたり光の伝搬を制御したりすることができる。こうしたフォトニック結晶を利用すれば、超小型光回路、スーパープリズム、しきい値の小さいレーザー、超小型共振器などを実現できる可能性があり、様々な応用分野への適用が期待されている。フォトニック結晶において、周期構造を構成する材料の屈折率の差が大きいほうがフォトニックバンドギャップは大きくなることが期待でき、これまでに半導体や酸化物と空気（孔）とを組み合わせたフォトニック結晶が数多く検討されている。

フォトニック結晶を作製する方法の中でも任意形状を制御性良く作製することができるのは半導体の微細加工技術を用いる方法であり、１〜３次元のフォトニック結晶の作製が数多く行われている。しかし、このような方法では、光リソグラフィーによる現像やイオンビームによるエッチングなどを繰り返す必要があるなど手間がかかる上、作製できるフォトニック結晶の大きさは光リソグラフィーやエッチング装置の大きさにより制限されるという問題がある。

それに対し、２次元のフォトニック結晶に関しては、比較的容易に周期構造を作製できる方法がある。例えば、酸性電解溶液中で材料に電圧を加えることにより多孔質皮膜を作製する方法（陽極酸化法と呼ばれる）を用いると、孔が周期的に設けられた大面積の２次元フォトニック結晶構造を持つ皮膜を得ることができる。この方法では被加工材料および酸性電解溶液を入れる容器を大きくすることが比較的容易なので、大面積の２次元フォトニック結晶構造を持つ皮膜を作製できると考えられる。

また、陽極酸化により作製された２次元周期構造を持つフォトニック結晶（アルミナナノホール）と、アルミナナノホールに充填された蛍光体とを有する蛍光シートが提案されている（特許文献１）。特許文献１には、この蛍光シートの裏面から励起光を照射したときにシートに平行な方向よりも垂直な方向への発光効率が高く、分解能に優れた蛍光面などとして用いられることが記載されている。
特開２００１−１６６７１７号公報

しかし、陽極酸化で作製される２次元フォトニック結晶は大面積を実現できる反面、周期構造に垂直な方向の厚さは約５００μｍまでと小さいという欠点がある。ここで、外部から励起光を照射する固体レーザー用のレーザー媒質に２次元フォトニック結晶構造を持つ材料を適用しようとした場合、周期構造に垂直な方向の発光体の長さは少なくとも１ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍ以上であることが必要とされる。ところが、陽極酸化を用いたフォトニック結晶の製造方法では、こうした大型のレーザー媒質を作製することが困難である。また、レーザー装置の場合、励起光がレーザー媒質の内部まで進入することが好ましい。しかし、陽極酸化により生成するアルミナは多結晶体であるため、光が散乱されて励起光の進入が阻害されるという問題がある。さらに、アルミナナノホールに蛍光体を充填した場合、充填する前のアルミナと空気との屈折率の差に比べて、アルミナと蛍光体との屈折率の差は小さくなる場合が多い。このように２種の媒質の屈折率の差が小さいと、フォトニックバンドギャップが狭くなったり反射率が小さくなったりするため、フォトニック結晶による光の閉じ込め効果が小さくなるという問題も発生する。

本発明の目的は、励起光により励起され励起光とは異なる波長の光を効率的に発光できる発光体を提供することにある。

本発明の一態様に係る発光体は、ファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、前記第１の媒質中の孔を満たして充填され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する第２の媒質とを有することを特徴とする。

本発明の他の態様に係る発光体は、ファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、前記第１の媒質中に添加され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質とを有することを特徴とする。

本発明のさらに他の態様に係る発光体は、ファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、前記孔に面する前記第１の媒質の壁面に形成され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する第２の媒質とを有することを特徴とする。

本発明のさらに他の態様に係る発光体は、平面形状をなし、その面内において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、前記第１の媒質の面内に形成された孔の中央部に前記第１の媒質と離間して形成され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する第２の媒質とを有することを特徴とする。

本発明によれば、励起光により励起され励起光とは異なる波長の光を効率的に発光できる発光体を提供することができる。

本発明の実施形態に係る発光体は、フォトニック結晶を含み、励起光により励起され励起光とは異なる波長の光を発光するものであり、レーザー装置または増幅装置に用いられる。

以下、本発明の実施形態に係る発光体の構造を、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１および図２に、本発明の第１の実施形態に係る発光体１０の横断面図および斜視図を示す。図１および図２において、第１の媒質１１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔１１ａを有し、励起光を透過する。フォトニックバンドギャップの効果を得るためには孔１１ａの周期構造は５周期以上が好ましく、１０周期以上がより好ましく、１５周期以上がさらに好ましい。この図では、孔１１ａの形状は第１の媒質１１を長さ方向に沿って貫通する円柱状であるが、孔１１ａの形状は三角柱、四角柱または多角柱でもよい。また、第１の媒質１１中の孔１１ａの配置は三角格子をなしているが、ハニカム格子でもよい。第２の媒質１２は第１の媒質１１中の孔１１ａを満たして充填されている。したがって、第１の媒質１１の横断面においては、第２の媒質１２が周期的に配置されている。第２の媒質１２は励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する。

この発光体１０に対しては、ファイバー形状をなす第１の媒質１１の側面に沿って励起光源を設け、第２の媒質１２に含有される発光物質を励起して発光させる。発光は主に第１の媒質１１の長さ方向に進行し、第１の媒質１１の端面から発せられる。

励起光を第２の媒質１２へ効率よく到達させるために、第１の媒質１１の励起光に対する透過率は６０％以上が好ましく、７０％以上がより好ましく、８０％以上がさらに好ましい。励起光を効率よく吸収するためには、第２の媒質１２の吸光度は、０．１以上が好ましく、０．５以上がより好ましく、１以上がさらに好ましい。

大出力のレーザー発振を行うためには、ファイバー形状をなす発光体の長さは長いほうがよく、１ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がより好ましく、５０ｍｍ以上がさらに好ましい。発光体に柔軟性がなく巻き取りなどを行えない場合には、レーザー装置または増幅装置の大きさに制限があるため、長くても１ｍ以内が好ましい。一方、発光体に柔軟性がある場合には、発光体を円形に巻き取ってレーザー装置または増幅装置に設置できるため、長さに上限はない。

大出力のレーザー発振を行うために、発光体の断面積も大きいほうがよい。発光体の断面が円形の場合、その直径は１００μｍ以上が好ましく、１ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。ただし、直径が大きすぎると発光体内部に到達する励起光の量が減るため、直径は５００ｍｍ以内が好ましく、２００ｍｍ以内がより好ましく、１００ｍｍ以内がさらに好ましい。なお、小さな断面積を持つ発光体を作製し、複数の発光体を束ねて実効的な断面積を増やしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る発光体１０において、第２の媒質１２に含有されている発光物質は、第１の媒質１１の横断面における第２の媒質１２の周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップに対応する波長の光を発光することが好ましい。このような条件を満たすためには、発光物質からの発光波長に合わせて、図１に示す第２の媒質１２のピッチａおよび第２の媒質１２の直径ｄを適切に設定する。逆に、第２の媒質１２のピッチａおよび第２の媒質１２の直径ｄに応じて、適切な発光物質を選択してもよい。

（第２の実施形態）
図３に、本発明の第２の実施形態に係る発光体２０の横断面図を示す。図３において、第１の媒質２１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔２１ａを有し、励起光を透過する。第１の媒質２１中には、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質が添加されている。第２の実施形態では、孔２１ａには他の媒質である空気が存在する。すなわち、第２の実施形態では、発光物質を含有する媒質と発光物質を含有しない媒質との配置が、第１の実施形態とは逆になっている。

本発明の第２の実施形態において、第１の媒質２１中に添加されている発光物質は、第１の媒質２１の横断面における孔２１ａの周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップに対応する波長の光を発光することが好ましい。この場合、発光物質からの発光波長と、図３に示す孔２１ａのピッチａおよび孔２１ａの直径ｄとの関係を適切に設定する。

（第３の実施形態）
図４および図５に、本発明の第３の実施形態に係る発光体３０の横断面図および縦断面図を示す。図４および図５において、第１の媒質３１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔３１ａを有し、励起光を透過する。第２の媒質３２は、孔３１ａに面する第１の媒質３１の壁面に形成されている。したがって、孔３１ａ中に存在する他の媒質である空気の周囲に第２の媒質３２が設けられている。第２の媒質３２は、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する。

本発明の第３の実施形態において、第２の媒質３２に含有されている発光物質は、第１の媒質３１の横断面における孔３１ａおよび第２の媒質３２の周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップに対応する波長の光を発光することが好ましい。この場合、発光物質からの発光波長と、図５に示す孔３１ａのピッチａ、第２の媒質３２の外径ｒおよび第２の媒質３２の内径ｄとの関係を適切に設定する。

ここで、第１の実施形態においてフォトニックバンドギャップを大きくするためには、第１の媒質１１と第２の媒質１２との屈折率の差がある程度大きくするのがよいが、このような条件を満たす第１の媒質１１と第２の媒質１２の組み合わせは限定される。これに対して、第３の実施形態においては、第２の媒質３２の体積を小さくすれば、第１の媒質３１の横断面における孔３１ａの周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップへの影響を小さくすることができる。これにより、第２の媒質３２中に含有させる発光物質の選択の自由度も大きくなる。図４に示すように、第２の媒質３２の形状が中空円柱状である場合、第２の媒質３２の体積を小さくするように、ｒ／ｄの比は１．２が好ましく、１．１以下がより好ましく、１．０５以下がさらに好ましい。

（第４の実施形態）
図６に、本発明の第４の実施形態に係る発光体４０の平面図を示す。図６において、第１の媒質４１は平面形状をなし、その面内において孔４１ａが周期的に形成されており、励起光を透過する。第２の媒質４２は、第１の媒質４１の面内に形成された孔４１ａの中央部に第１の媒質４１と離間して形成されている。したがって、第２の媒質４２の周囲に、孔４１ａ中に存在する他の媒質である空気が設けられている。第２の媒質４２は励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する。

本発明の第４の実施形態において、第２の媒質４２に含有されている発光物質は、第１の媒質４１の面内における孔４１ａおよび第２の媒質４２の周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップに対応する波長の光を発光することが好ましい。この場合、発光物質からの発光波長と、図６に示す孔４１ａのピッチａ、孔４１ａの径ｄおよび第２の媒質４２の外径ｒとの関係を適切に設定する。

第４の実施形態においても、第３の実施形態と同様に、第２の媒質４２の体積を小さくすれば、第１の媒質４１の面内における孔４１ａの周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップへの影響を小さくすることができる。これにより、第２の媒質４２中に含有させる発光物質の選択の自由度も大きくなる。図６に示すように、第２の媒質４２の形状が円柱状である場合、第２の媒質４２の体積を小さくするように、ｄ／ｒの比は１０以上が好ましく、１５以上がより好ましく、２０以上がさらに好ましい。

（製造方法）
次に、本発明の各実施形態に係る発光体の製造方法を説明する。
本発明の第１の実施形態では、以下の２つの製造方法を用いることができる。第１の製造方法では、第１の媒質中に孔の周期構造を形成した後、孔に第２の媒質を充填する。第１の媒質中に孔を形成する方法としてはフォトニック結晶ファイバーと呼ばれる、フォトニック結晶構造を持つ光ファイバーと同様な製造方法を用いる。すなわち、第１の媒質からなる中空管を複数束ねて高温中で融着および線引加工することにより長尺の孔が周期的に設けられたフォトニック結晶を得る。第２の媒質を液体で用いる場合、ファイバー形状のフォトニック結晶の一端を第２の媒質の液体中に浸し、毛細管現象により孔中に吸収させることにより第１の実施形態に係る発光体を得ることができる。第２の媒質を固体で用いる場合、液体状態の第２の媒質の原料を上述と同様に毛細管現象により孔内に吸収させた後、電気炉中で熱処理することにより固化する。この場合、第２の媒質は熱処理中に溶媒が蒸発するために多孔体となるが、より緻密化するために、さらに液体状態の第２の媒質の原料を吸収させ熱処理を行う工程を繰り返す。第２の製造方法では、中空形状の第１の媒質の管に、中実形状の第２の媒質の線材を挿入して、高温中で融着および線引加工する。この場合、第１の媒質と第２の媒質の融点が近い方が融着加工しやすいため、第２の媒質は第１の媒質と同様の材料中に発光中心となる遷移金属または希土類の元素を添加したものを用いるとよい。

本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と同様にフォトニック結晶ファイバーの製造方法を適用することができる。すなわち、発光物質を添加した第１の媒質からなる中空形状の管を複数束ねて高温中で融着および線引加工することにより、第２の実施形態に係る発光体を得ることができる。励起光の透過率は高い方が好ましいため、孔内に他の材料を充填しないほうが好ましい。

本発明の第３の実施形態では、第１の媒質中に孔の周期構造を形成した後、孔に面する第１の媒質の壁面に第２の媒質を形成する。第２の媒質を形成する方法には例えば以下の２つの方法を用いる。第１の製造方法は、第２の媒質の原料を孔に浸透させ、乾燥または真空引きすることにより、第１の媒質の壁面に前駆体を形成した後、仮焼や本焼といった熱処理を行うことにより固化し薄膜形状の第２の媒質を得る。予めフォトニックバンドギャップの異なる様々な周期構造を持つ第１の媒質と孔内に存在する空気からなるフォトニック結晶を作製しておけば、第２の媒質からの発光波長に合わせてフォトニック結晶を選ぶことができ、多種類の発光体を制御性よく得ることができる。これに対し、フォトニックバンドギャップと発光波長の関係といった仕様が確定しており、発光体を大量生産したい場合には、第２の製造方法を用いることができる。すなわち、フォトニック結晶ファイバーを呼ばれる、フォトニック結晶構造を持つ光ファイバーと同様の製造方法を用いる。この場合、中空形状の第１の媒質の管に中空形状の第２の媒質の管を挿入した大型の原材料を束ねて高温中で融着および線引加工することにより長尺のフォトニック結晶を得る。

本発明の第４の実施形態では、光リソグラフィーと薄膜形成技術により、平面形状をなす第１の媒質中に孔の周期構造を形成した後、孔の中央部に第１の媒質と離間して第２の媒質を形成する。

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例に係る発光体１０は、図１に示す横断面図および図２に示す斜視図を有する。第１の媒質１１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔１１ａを有する。第２の媒質１２は第１の媒質１１中の孔１１ａを満たして充填されている。第１の媒質１１は石英であり、第２の媒質１２は発光物質として色素であるローダミン５９０を溶解したエタノール溶液である。第２の媒質１２は第１の媒質１１の横断面において三角格子の位置に配置されており、この構造によりフォトニック結晶を形成している。本実施例では、第２の媒質１２のピッチａは０．８４μｍ、第２の媒質１２の直径ｄは０．５９μｍである。

本実施例に係る発光体１０の製造方法を説明する。まず、図７の斜視図に概略的に示すように、石英管を三角格子の配置で束ねて高温中で線引きすることにより、第１の媒質１１である石英と、石英の横断面に周期的に形成された孔１１ａ中に存在する空気とで構成されるフォトニック結晶ファイバー５を作製した。このフォトニック結晶ファイバー５の外径は１２５μｍである。

このフォトニック結晶ファイバー５を３０ｍｍの長さにカットした。図８（ａ）にフォトニック結晶ファイバー５の縦断面図を示す。このフォトニック結晶ファイバー５の一端から約５ｍｍの部分を、１×１０^-2ｍｏｌ／Ｌのローダミン５９０のメタノール溶液中に浸し、図８（ｂ）に示すように毛細管現象により孔１１ａの全域に色素溶液を浸透させて石英と色素溶液とからなる発光体１０を得た。この発光体１０を空気中に放置すると、孔１１ａの中の色素溶液が蒸発する。これを防止するために、図９に示すように、この発光体１０を縦１０ｍｍ、横３０ｍｍ、長さ６０ｍｍの石英セル１５内に設置し、封止した。この発光体１０に、第１の媒質１１の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプ５０から紫外線を照射したところ、発光体１０の端部から波長０．５９μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（実施例２）
本実施例に係る発光体１０も、図１に示す横断面図および図２に示す斜視図を有する。第１の媒質１１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔１１ａを有する。第２の媒質１２は第１の媒質１１中の孔１１ａを満たして充填されている。第１の媒質１１は石英であり、第２の媒質１２は発光物質として色素であるローダミン６１０を分散させたＳＯＧ（スピンオンガラス）である。第２の媒質１２は第１の媒質１１の横断面において三角格子の位置に配置されており、この構造によりフォトニック結晶を形成している。本実施例では、第２の媒質１２のピッチａは０．８４μｍ、第２の媒質１２の直径ｄは０．５９μｍである。

本実施例に係る発光体１０の製造方法を説明する。まず、図７の斜視図に概略的に示すように、石英管を三角格子の配置で束ねて高温中で線引きすることにより第１の媒質１１である石英と、石英の横断面に周期的に形成された孔１１ａ中に存在する空気とで構成されるフォトニック結晶ファイバー５を作製した。このフォトニック結晶ファイバー５の外径は１２５μｍである。

このフォトニック結晶ファイバー５を５０ｍｍの長さにカットした。図８（ａ）にフォトニック結晶ファイバー５の縦断面図を示す。このフォトニック結晶ファイバー５の一端から約５ｍｍの部分を、１×１０^-2ｍｏｌ／Ｌの濃度のローダミン６１０を含むＳＯＧ／アルコール溶液中に浸し、毛細管現象により孔１１ａの全域に色素溶液を浸透させた。このファイバーを電気炉中で１２０℃、１０分間の熱処理を行った。溶液を吸収させる工程と熱処理工程を３回繰り返した。このファイバーから、色素濃度が不均一な両端部を切断して、長さを３０ｍｍにした。こうして、図８（ｂ）に示すように、石英と色素含有ＳＯＧとからなる発光体１０を得た。

図１０に示すように、この発光体１０に、第１の媒質１１の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプ５０から紫外線を照射したところ、発光体１０の端部から波長０．６１μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（実施例３）
本実施例に係る発光体１０も、図１に示す横断面図および図２に示す斜視図を有する。第１の媒質１１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔１１ａを有する。第２の媒質１２は第１の媒質１１中の孔１１ａを満たして充填されている。第１の媒質１１は石英であり、第２の媒質１２は発光物質としてＮｄを分散させた石英（Ｎｄ：石英）である。第２の媒質１２は第１の媒質１１の横断面において三角格子の位置に配置されており、この構造によりフォトニック結晶を形成している。本実施例では、第２の媒質１２のピッチａは１．５０μｍ、第２の媒質１２の直径ｄは１．０５μｍである。

本実施例に係る発光体１０の製造方法を説明する。まず、図１１の縦断面図を示すように、石英管１中に中実形状のＮｄが添加された石英棒２を挿入し、これらを三角格子の配置で束ねた。これを高温中で線引きすることによりフォトニック結晶ファイバーを作製した。このフォトニック結晶ファイバーの外径は１２５μｍである。次に、このフォトニック結晶ファイバーを長さ３０ｍｍに切断し、第１の媒質１１である石英と、第２の媒質１２であるＮｄ：石英ガラスからなる発光体１０を得た。

図１０と同様に、この発光体１０に、第１の媒質１１の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプ５０から紫外線を照射したところ、発光体１０の端部から波長１．０５μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（実施例４）
本実施例に係る発光体２０は、図３に示す横断面図を有する。第１の媒質２１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔２１ａを有する。第１の媒質２１中には、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質が添加されている。第１の媒質２１は石英ガラスであり、その中に発光物質であるＮｄが添加されている。孔２１ａの内部には空気が存在する。孔２１ａは第１の媒質２１の横断面において三角格子の位置に配置されており、この構造によりフォトニック結晶を形成している。本実施例では、孔２１ａのピッチａは１．５０μｍ、孔２１ａの直径ｄは１．０５μｍである。

本実施例に係る発光体１０を製造するには、実施例１と同様なフォトニック結晶ファイバーの製造方法を用いた。すなわちＮｄが添加された石英管を三角格子の配置で束ねて高温中で融着および線引き加工することにより、発光物質を添加した第１の媒質２１であるＮｄ：石英ガラスと、孔２１ａ内に存在する他の媒質である空気とからなるフォトニック結晶ファイバーを作製した。このフォトニック結晶ファイバーの外径は１２５μｍである。このファイバーを３０ｍｍに切断して発光体２０を得た。

図１０と同様に、この発光体２０に、第１の媒質の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプから紫外線を照射したところ、発光体２０の端部から波長１．０５μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（実施例５）
本実施例に係る発光体３０は、図４に示す横断面図および図５に示す縦断面図を有する。第１の媒質３１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔３１ａを有する。第２の媒質３２は、孔３１ａに面する第１の媒質３１の壁面に形成されている。したがって、孔３１ａ中に存在する他の媒質である空気の周囲に第２の媒質３２が設けられている。第２の媒質３２は、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する。本実施例では、第１の媒質３１は石英であり、第２の媒質３２は発光物質として色素であるローダミン６１０を分散させたＳＯＧ（スピンオンガラス）である。第２の媒質３２および孔３１ａは第１の媒質３１の横断面において三角格子の位置に配置されており、この構造によりフォトニック結晶を形成している。本実施例では、孔３１ａのピッチａは０．８４μｍ、第２の媒質３２の外径ｒは０．７０μｍ、第２の媒質３２の内径ｄは０．５９μｍである。

本実施例に係る発光体３０の製造方法を説明する。まず、石英管を三角格子の配置で束ねて高温中で線引きすることにより、図１２（ａ）の縦断面図に示すように、第１の媒質３１である石英と、石英の横断面に周期的に形成された孔３１ａ中に存在する空気とで構成されるフォトニック結晶ファイバー６を作製した。このフォトニック結晶ファイバー６の外径は１２５μｍである。

このフォトニック結晶ファイバー６を５０ｍｍの長さにカットした。このフォトニック結晶ファイバー６の一端から約５ｍｍの部分を、１×１０^-2ｍｏｌ／Ｌの濃度のローダミン６１０を含むＳＯＧ／アルコール溶液中に浸し、図１２（ｂ）に示すように、毛細管現象により孔１１ａの全域に色素含有ＳＯＧ溶液７を浸透させた。次に、フォトニック結晶ファイバー６の端部を色素含有ＳＯＧ溶液から引き上げ、フォトニック結晶ファイバー６の他端を、チューブを介してロータリーポンプに接続し、５秒間真空引きを行い、孔３１ａに面する第１の媒質３１の内壁に厚さ３０ｎｍの色素含有ＳＯＧ膜を形成した。これを１時間乾燥させて色素含有ＳＯＧ膜を固化させた。このファイバーから、ＳＯＧの厚さが不均一な両端部を切断して、長さを３０ｍｍにした。こうして、図１２（ｃ）に示すように、石英からなる第１の媒質３１と、孔３１ａに面する第１の媒質３１の内壁に形成された膜状の色素含有ＳＯＧからなる第２の媒質３２とを有する発光体３０を得た。

図１３の斜視図を示すように、この発光体３０に、第１の媒質３１の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプ５０から紫外線を照射したところ、発光体３０の端部から波長０．６１μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（実施例６）
本実施例に係る発光体３０も、図４に示す横断面図および図５に示す縦断面図を有する。第１の媒質３１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔３１ａを有する。第２の媒質３２は、孔３１ａに面する第１の媒質３１の壁面に形成されている。第１の媒質３１は石英であり、第２の媒質３２は発光物質としてＮｄを分散させた石英（Ｎｄ：石英）である。第２の媒質３２および孔３１ａは第１の媒質３１の横断面において三角格子の位置に配置されており、この構造によりフォトニック結晶を形成している。本実施例では、孔３１ａのピッチａは１．５０μｍ、第２の媒質３２の外径ｒは１．２６μｍ、第２の媒質３２の内径ｄは１．０５μｍである。

本実施例に係る発光体３０の製造方法を説明する。まず、実施例５と同様な方法により、第１の媒質である石英と、石英の横断面に周期的に形成された孔中に存在する空気とで構成されるフォトニック結晶ファイバーを作製した。このフォトニック結晶ファイバーの外径は１２５μｍである。このフォトニック結晶ファイバーを５０ｍｍの長さにカットした。このフォトニック結晶ファイバーの一端から約５ｍｍの部分を、シリコンアルコキシド、ネオジウムアルコキシド、アルコールを含む有機金属溶液中に浸して毛細管現象により孔全域に有機金属溶液を浸透させた。次に、フォトニック結晶ファイバーの端部を有機金属溶液から引き上げ、フォトニック結晶ファイバーの他端を、チューブを介してロータリーポンプに接続し、５秒間真空引きした。フォトニック結晶ファイバーを電気炉に入れて５０℃で乾燥し、孔に面する第１の媒質の内壁に前駆体を形成した。上記のようなプロセスを繰り返すことにより、第１の媒質の内壁に形成される前駆体の厚さを調節した。次に、フォトニック結晶ファイバーを電気炉に入れて５００〜８００℃で３時間、本焼することにより、第２の媒質として厚さｔ（＝（ｒ−ｄ）／２）が１００ｎｍであるＮｄ：石英ガラスの薄膜を形成した。石英ガラス薄膜中のＮｄの濃度は１ｗｔ％であった。この製造方法はゾルゲル法と呼ばれ、比較的低温で第２の媒質を成膜することができる。このファイバーから、Ｎｄ：石英ガラスの厚さが不均一な両端部を切断し、長さを３０ｍｍにした。こうして、石英からなる第１の媒質と、孔に面する第１の媒質の内壁に形成された膜状のＮｄ：石英ガラスからなる第２の媒質とを有する発光体を得た。

図１３と同様に、発光体３０に、第１の媒質３１の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプ５０から紫外線を照射したところ、発光体３０の端部から波長１．０５μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

なお、本実施例では、発光物質を含有する第２の媒質としてＮｄ：石英ガラスを用いたが、その他の遷移金属または希土類元素を添加した石英ガラスも用いることができる。これらの薄膜もゾルゲル法を用いて作製することができる。フォトニックバンドギャップの異なるフォトニック結晶ファイバーを予め用意しておき、そのフォトニックバンドギャップに合った発光波長を持つ遷移金属または希土類元素を選べば、様々な発光波長を持つ発光体を容易に得ることができる。

（実施例７）
実施例６では、まずフォトニック結晶ファイバーを作製した後、発光物質を含有する第２の媒質の薄膜層を形成しており、多種類の発光体を得るのに適している。これに対し、フォトニックバンドギャップや発光波長の関係といった仕様が確定した発光体を大量生産したい場合には、以下において説明する本実施例に係る発光体の製造方法を適用することもできる。

本実施例に係る発光体３０も、図４に示す横断面図および図５に示す縦断面図を有する。第１の媒質３１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔３１ａを有する。第２の媒質３２は、孔３１ａに面する第１の媒質３１の壁面に形成されている。第１の媒質３１は石英であり、第２の媒質３２は発光物質としてＮｄを分散させた石英（Ｎｄ：石英）である。

本実施例では、第１の媒質となる石英管の内部に第２の媒質となるＮｄを添加した石英管を挿入し、これらを束ねて高温中で線引加工を行った。こうして、外径１２５μｍ、長さ１００ｍの、第１の媒質３１である石英と、第２の媒質３２であるＮｄを添加した石英ガラスとを有するフォトニック結晶ファイバーを得た。このファイバーを３０ｍｍの長さに切断して発光体を得た。

図１３と同様に、発光体３０に、第１の媒質３１の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプ５０から紫外線を照射したところ、発光体３０の端部から波長１．０５μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（実施例８）
本実施例に係る発光体３０も、図４に示す横断面図および図５に示す縦断面図を有する。第１の媒質３１はファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔３１ａを有する。第２の媒質３２は、孔３１ａに面する第１の媒質３１の壁面に形成されている。第１の媒質３１は石英であり、第２の媒質３２は発光物質としてＮｄを分散させたイットリウムアルミニウムガーネット膜（Ｎｄ：ＹＡＧ）である。本実施例では、孔３１ａのピッチａは１．５１μｍ、第２の媒質３２の外径ｒは１．２７μｍ、第２の媒質３２の内径ｄは１．０６μｍである。

本実施例に係る発光体３０の製造方法を説明する。まず、実施例５と同様な方法により、第１の媒質である石英と、石英の横断面に周期的に形成された孔中に存在する空気とで構成されるフォトニック結晶ファイバーを作製した。このフォトニック結晶ファイバーの外径は１２５μｍである。このフォトニック結晶ファイバーを５０ｍｍの長さにカットした。このフォトニック結晶ファイバーの一端から約５ｍｍの部分を、オクチル酸イットリウム、オクチル酸ネオジウム、オクチル酸アルミニウム、テレピン油、酢酸ブチル、酢酸エチルを含む有機金属溶液中に浸し、孔の全域に有機金属溶液を浸透させた。次に、フォトニック結晶ファイバーの端部を有機金属溶液から引き上げ、フォトニック結晶ファイバーの他端を、チューブを介してロータリーポンプに接続し、５秒間真空引きした。フォトニック結晶ファイバーを電気炉に入れて２００℃で乾燥し、孔に面する第１の媒質の内壁に前駆体を形成した。上記のようなプロセスを繰り返すことにより、第１の媒質の内壁に形成される前駆体の厚さを調節した。次に、フォトニック結晶ファイバーを電気炉に入れて大気中にて５００〜８００℃で３時間、本焼することにより、厚さｔが１１０ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧの薄膜を作製した。このような有機金属溶液を用いた製造方法は、ＭＯＤ（Metal Organic Deposition）法と呼ばれ、第２の媒質を高品質な膜として成膜できる。このファイバーから、Ｎｄ：ＹＡＧ薄膜の厚さが不均一で結晶性が悪い両端部を切断し、長さを３０ｍｍにした。こうして、石英からなる第１の媒質と、孔に面する第１の媒質の内壁に形成された膜状のＮｄ：ＹＡＧからなる第２の媒質とを有する発光体を得た。

図１３と同様に、発光体３０に、第１の媒質３１の側面に沿って配置した励起光源であるキセノンガスを用いたフラッシュランプ５０から紫外線を照射したところ、発光体３０の端部から波長１．０６μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（実施例９）
本実施例に係る発光体４０は、図６に示す平面図を有する。第１の媒質４１は平面形状をなし、その面内において孔４１ａが周期的に形成されている。第２の媒質４２は、第１の媒質４１の面内に形成された孔４１ａの中央部に第１の媒質４１と離間して形成されている。したがって、第２の媒質４２の周囲に孔４１ａ内に存在する他の媒質である空気が設けられている。第２の媒質４２は、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する。本実施例では、第１の媒質４１はＳｉＯ₂であり、第２の媒質４２はＮｄが添加されたＳｉＯ₂（Ｎｄ：ＳｉＯ₂）である。孔４１ａおよび第２の媒質４２は第１の媒質４１の横断面において三角格子の位置に配置されており、この構造によりフォトニック結晶を形成している。本実施例では、孔４１ａのピッチａは１．５μｍ、孔４１ａの径ｄは１．０５μｍ、第２の媒質４２の外径ｒは１００ｎｍである。

本実施例に係る発光体４０の製造方法を説明する。図１４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板８を酸素雰囲気中で熱処理し、Ｓｉ基板８上に厚さ１００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成した。図１４（ｂ）に示すように、光リソグラフィーによりＳｉＯ₂膜の一部を選択的にエッチングして、第１の媒質４１の面内に孔４１ａを周期的に形成した。その後、レジストを除去した。図１４（ｃ）に示すように、スパッタリング法により厚さ５０ｎｍのＮｄ：ＳｉＯ₂膜を成膜した後、光リソグラフィーによりパターニングを行い、孔４１ａの中央部に直径１００ｎｍの第２の媒質４２を形成した。その後、レジストを除去した。こうして、石英からなる第１の媒質４１と、第１の媒質４１の面内に形成された孔４１ａの中央部に第１の媒質４１と離間して形成されたＮｄ：ＳｉＯ₂からなる第２の媒質４２とを有する発光体４０を得た。

この発光体４０をキセノンフラッシュランプで励起したところ、波長１．０５μｍ付近にピークを持つ光を取り出せることがわかった。

（その他の実施形態）
上述したように実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。たとえば、励起光を透過する媒質として石英以外にも、アルミニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、ニオブ酸化物などの材料を用いることができる。発光物質を含有する媒質として、各種ローダミン、クマリン、キトンなどの色素を分散させたプラスチックおよびＳＯＧ、Ｃｒを添加したアルミニウム酸化物、その他の遷移金属または希土類元素を添加したアルミニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、ニオブ酸化物、リチウムニオブ酸化物、リチウムタンタル酸化物、イットリウムバナジウム酸化物を用いることができる。第２の媒質の薄膜を形成する方法として、ゾルゲル法やＭＯＤ法のほか、原料の一部としてトリフルオロ酢酸を用いたＴＦＡ−ＭＯＤ法を用いることもできる。ＭＯＤ法においては、原料としてオクチル酸、カプリル酸、デカン酸、ナフテン酸などの塩からなる有機金属化合物を用いることができる。また、フォトニック結晶を構成する周期構造として円形の媒質が三角格子で配置された構造を代表例として記したが、これに限定されず、三角形状、四角形状、ハニカム形状、その他の多角形状の媒質が周期的に配置された構造でもよい。

本発明の第１の実施形態に係る発光体の横断面図。 本発明の第１の実施形態に係る発光体の斜視図。 本発明の第２の実施形態に係る発光体の横断面図。 本発明の第３の実施形態に係る発光体の横断面図。 本発明の第３の実施形態に係る発光体の縦断面図。 本発明の第４の実施形態に係る発光体の平面図。 本発明の第１の実施形態に係る発光体の製造方法を説明する斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る発光体の製造方法を説明する縦断面図。 本発明の実施例１の発光体を評価している状態を示す斜視図。 本発明の実施例２の発光体を評価している状態を示す斜視図。 本発明の実施例３の発光体の製造方法を説明する縦断面図。 本発明の実施例５の発光体の製造方法を説明する縦断面図。 本発明の実施例５の発光体を評価している状態を示す斜視図。 本発明の実施例９の発光体の製造方法を説明する縦断面図。

符号の説明

１０、２０、３０、４０…発光体、１１、２１、３１、４１…第１の媒質、１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ…孔（空気）、１２、３２、４２…第２の媒質、１５…石英セル、５０…フラッシュランプ、１…石英管、２…石英棒、５、６…フォトニック結晶ファイバー、７…色素含有ＳＯＧ溶液、８…Ｓｉ基板。

Claims (8)

1. ファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、
   前記第１の媒質中の孔を満たして充填され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する第２の媒質と
   を有することを特徴とする発光体。
2. 前記第２の媒質に含有されている発光物質は、前記第１の媒質の横断面における前記第２の媒質の周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップに対応する波長の光を発光することを特徴とする請求項１に記載の発光体。
3. ファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、
   前記第１の媒質中に添加され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質と
   を有することを特徴とする発光体。
4. 前記第１の媒質中に添加されている前記発光物質は、前記第１の媒質の横断面における前記孔の周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップに対応する波長の光を発光することを特徴とする請求項３に記載の発光体。
5. ファイバー形状をなし、その横断面において周期的に形成された孔を有し、励起光を透過する第１の媒質と、
   前記孔に面する前記第１の媒質の壁面に形成され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する第２の媒質と
   を有することを特徴とする発光体。
6. 前記第２の媒質に含有されている発光物質は、前記第１の媒質と第1の媒質の横断面における前記孔の周期構造によって決定されるフォトニックバンドギャップに対応する波長の光を発光することを特徴とする請求項５に記載の発光体。
7. 前記ファイバー形状をなす第１の媒質の側面に沿って、励起光源が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発光体。
8. 平面形状をなし、その面内において孔が周期的に形成されており、励起光を透過する第１の媒質と、
   前記第１の媒質の面内に形成された孔の中央部に前記第１の媒質と離間して形成され、励起光を吸収して励起光と異なる波長の光を発光する発光物質を含有する第２の媒質と
   を有することを特徴とする発光体。

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